DE102013111500B4 - Einlaminierter Akkumulator, vorzugsweise zum Einsatz in Elektrofahrzeugen - Google Patents

Einlaminierter Akkumulator, vorzugsweise zum Einsatz in Elektrofahrzeugen Download PDF

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Abstract

Akkumulator, vorzugsweise zum Einsatz in Elektrofahrzeugen, wobei der Akkumulator mehrere Akkuzellen (1) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass jede einzelne Akkuzelle (1) unter Vorspannung in ein Harzhärtergemisch (2) eingegossen ist, dass jede Akkuzelle (1) durch Erzeugung eines Vakuums umfangsseitig unter Vorspannung steht und die Vorspannung durch eine spaltfreie Anordnung zwischen dem Harzhärtergemisch (2) und der Akkuzelle (1) aufrechterhalten wird und dass defekte einzelne Akkuzellen (1) austauschbar sind.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen einlaminierten Akkumulator, der vorzugsweise in Elektrofahrzeugen, z.B. in Elektrorollern und dergleichen Anwendung findet.
  • Aus Druckschrift DE 10 2010 038 862 A1 sind bereits Batteriemodule und Verfahren bekannt, die mittels einer umspritzten Verpackung von Batteriezellen ein Batteriemodul bilden. Hierbei wird im Wesentlichen das Batteriemodul umfangsseitig vollständig von Kunststoff umgeben. Die Batteriezellen sind miteinander verschaltet und bilden somit das Batteriesystem. Mit der Schwindung des Kunststoffes nach dem Spritzvorgang werden die Batteriezellen unter eine Vorspannung gesetzt mit welcher die relative Bewegung der Zellen untereinander erschwert und im Wesentlichen unterbunden wird. Die Vorspannung erfolgt jedoch nur zur Fixierung und wird nicht vor dem Spritzvorgang zugeführt. Da zwischen den einzelnen Batteriezellen größtenteils kein Kunststoff vorhanden ist, denn dieser bildet nur die umhüllende Verpackung, kann die Volumenarbeit der Akkuzellen nicht effektiv unterbunden werden da die Vorspannung zu gering ist. Die Umspritzung erfolgt mittels Spritzgießen, welches einen hohen Druck und hohe Temperaturen benötigt. Das Fließverhalten ist im Vergleich zum RIM-Verfahren weniger günstig und es ist eine relativ große Wandstärke erforderlich.
  • Zudem sind Akkumulatoren aus Druckschrift DE 10 2010 012930 A1 bekannt, welche eine Vorspannung mittels einer Mechanik auf die Akkuzellen ausüben. Hierbei sind die Akkuzellen als Stapel ausgeführt und werden mittels eines federelastischen Elements gestaucht, wodurch eine konstante Anpresskraft ermöglicht wird. Dies erfordert einen größeren technischen Aufwand der Fertigung. Die Federelemente dehnen sich mit der Ausdehnung der Einzelzellen wobei sie einen bestimmten Druck nicht überschreiten. Somit wird ein gleichmäßiger Druck der Einzelzellen verteilt und eine Längung oder Verkürzung des gesamten Stapels ausgeglichen. Dies verhindert einen zu hohen Druck und eine damit verbundene Beschädigung der Einzelzellen. Hierbei wird jedoch die Volumenarbeit nicht unterbunden, woraus eine schnellere Alterung sowie der elektrische Kontaktverlust des Akkumulators folgen können.
  • In Druckschrift DE 43 09 976 A1 wird ein elektrochemische Mehrzellenbatterie beschrieben. Bei dieser Mehrzellenbatterie wird mittels einer Zugankerschraube eine Vorspannung auf die einzelnen Zellen gegeben. Jedoch kann hier ein Luftspalt entstehen, da die einzelnen Zellen nicht unter Vorspannung eingegossen werden.
  • Eine Batterie und ein Verfahren zu deren Herstellung wird in Druckschrift DE 10 2009 035 487 A1 beschrieben. Die Batterie weist ein Batteriegehäuse auf und besitzt darin eine Wärmeleitplatte zum Temperieren der Batterie. Mittels eines Federelements wird auf die Wärmeleitplatten Druck ausgeübt, sodass eine Verpressung zwischen den Wärmeleitfolien und den Einzelzellen im Batteriegehäuse gewährleistet ist. Eine Vorspannung der Einzelzellen ist nicht gegeben. Des Weiteren erfolgt kein Eingiesen der einzelnen Akkus, wodurch die Volumenarbeit nicht verhindert werden kann. Diese Volumenarbeit führt zu mechanischen Belastungen und verkürzt so in Folge des Verschleißes die Lebensdauer erheblich.
  • Eine weitere Batterie ist in Druckschrift DD 68 542 A5 beschrieben. Jedoch werden hier keine einzelnen Zellen miteinander vergossen. Des Weiteren wird die Batterie nicht unter Vorspannung gesetzt. Dadurch kann der Verschleiss nicht verringert werden.
  • Aus der Druckschrift DE 10 2007 063 178 A1 ist eine Batterie bekannt, welche mehrere miteinander verschaltete (Lithium-Ionen-) Batteriezellen aufweist, welche als Zellenverbund in einem Batteriegehäuse angeordnet sind. Dabei ist jede Batteriezelle unter Zug- bzw. Vorspannung an einer Wärmeleitplatte befestigt und positioniert Eine Vorspannung wirkt somit nur innerhalb der Verbindung zwischen der Batteriezelle und der Wärmeleitplatte. Die Zwischenräume zwischen den Flachzellen können zur besseren Isolation und/oder Wärmeleitung mit einer isolierenden und wärmeleitenden Vergussmasse und/oder einem Schaum versehen sein. Dass durch die Vergussmasse oder den Schaum eine Vorspannung auf die Zellen erzeugt wird ist aus der D1 nicht entnehmbar. Nach dem Ausgießen des gesamten Zellenverbundes ist es nicht mehr möglich, einzelne defekte Zellen auszutauschen.
  • Aus der nachveröffentlichten Entgegenhaltung DE 10 2012 018 036 A1 ist es bekannt, dass ein Batteriestapel aus einer Vielzahl von miteinander verschalteten Batterieeinzelzellen besteht, welche jeweils einen elastischen Zellrahmen aufweisen und in einem Stapelgehäuse angeordnet sind.
  • Zwischen den Zellrahmen und dem Stapelgehäuse wird ein geschäumtes Kunststoffmaterial (z.B. Kunstharz) eingespritzt, wodurch ein sicheres Verspannen sowie die Befestigung ALLER Batterieeinzelzellen im Stapelgehäuse ermöglicht wird. Die Zellrahmen bewirken dabei eine Vorspannung und Fixierung der Batterieeinzelzellen innerhalb des Stapelgehäuses während des Einspritzens des geschäumten Kunststoffmaterials. Hier werden somit ALLE Batterieeinzelzellen durch ausschäumen mit geschäumtem Kunststoffmaterial im Stapelgehäuse fixiert und es ist ein Austauschen einzelner defekter Batteriezellen nicht möglich.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, einen einlaminierten Akkumulator, der vorzugsweise in Elektrofahrzeugen, Anwendung findet, zu entwickeln, welcher die Volumenarbeit von bei hohen Lade- oder Entladeströmen reduziert sowie eine Erhöhung und Stabilisierung der Zyklenzeit des Akkumulators gewährleistet und die einen Austausch einzelner defekter Batteriezellen ermöglicht.
  • Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des ersten Patentanspruchs gelöst.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen. Die Erfindung betrifft einen Akkumulator, der vorzugsweise zum Einsatz in Elektrofahrzeugen verwendet wird, wobei der Akkumulator mehrere Akkuzellen aufweist und erfindungsgemäß jede einzelne Akkuzelle unter Vorspannung in ein Harzhärtergemisch eingegossen ist, wobei jede Akkuzelle durch Erzeugung eines Vakuums umfangsseitig unter Vorspannung steht und die Vorspannung durch eine spaltfreie Anordnung zwischen einem Harzhärtergemisch und der Akkuzelle aufrechterhalten wird und wobei defekte einzelne Akkuzellen austauschbar sind. Der Akkumulator weist dazu einen Öffnungsmechanismus zum Austausch von einzelnen Akkuzellen auf.
    Die einzelnen Akkuzellen sind mittels Abstandshaltern voneinander beabstandet. Mittels des Einlaminierens wird die Volumenarbeit der Deckschichten der einzelnen Akkuzellen vermieden oder reduziert.
  • Der Akkumulator besteht aus mehreren Akkuzellen welche in ein Harzhärtergemisch unter Vorspannung eingegossen werden. Als Spritzverfahren wird bevorzugt ein geschlossenes Injektionsverfahren, ein RIM-Verfahren oder Handlaminierung im Vakuum verwendet. Damit das Harzhärtergemisch die Akkuzellen umfließen kann, werden die Zellen mittels Abstandshaltern zueinander positioniert und anschließend miteinander verschaltet. Als Akkuzellen werden vorzugsweise Li-Polymerzellen, die elastisch sind, verwendet. Die Vorspannung wirkt auf jede einzelne Akkuzelle und wird mittels eines Vakuums innerhalb der Werkzeugform mit anschließender Injektion eines Harzhärtergemisches erzeugt. Durch das erzeugte Vakuum strömt das Harzhärtergemisch in die Form. Hierbei wird der Matrixwerkstoff durch eine bestimmte Anzahl Düsen zwischen die Formteile gespritzt. Aufgrund des Vakuums ist es möglich eine luftdicht versiegelte sowie spaltfreie Anordnung zwischen den Einzelzellen und dem Harzhärtergemisch herzustellen und zu gewährleisten, dass der Raum zwischen den Einzelzellen vollständig mit dem Harzhärtergemisch gefüllt ist. Weiterhin wird der Akkumulator durch die Aushärtung des Harzhärtergemisches minimal gestaucht, so dass die Vorspannung der elastischen Einzelzellen gehalten wird. Durch den Lade- und Entladevorgang erfolgt eine mechanische Belastung der Deckschicht der Zellen, daher wirkt bei hoher Belastung des Akkumulators die Ummantelung der Zellen demnach als Grenze für jede einzelne Zelle und erzeugt eine Gegenspannung wodurch die Volumenarbeit vermieden bzw. verringert wird. Die mechanische Belastung jeder einzelnen Zelle wird reduziert sowie dem elektrischen Kontaktverlust entgegen gewirkt, was zur Erhöhung der Zyklenzeit des Akkumulators führt und eine frühzeitige Alterung verhindert. Nachdem der Akkumulator einlaminiert wurde, wird er durch einen Temperierungsprozess gegen äußere Temperaturschwankungen stabilisiert. Dies kann in der Werkzeugform durch optionale Erwärmung zur Austemperierung der Bauteile erfolgen oder in einen separaten Arbeitsschritt außerhalb der Werkzeugform durchgeführt werden.
  • Der Akkumulator wird mit seinen Zellen, die bereits mit dem Harz-Härtergemisch umschlossen sind, zusätzlich in einem Kunststoffgehäuse verpackt, wobei dieses nur eine geringe Wandstärke aufweisen muss. Für eine einfache Bedienung sind die Anschlüsse außenliegend angeordnet. Des Weiteren kommt vorteilhafter Weise ein Sicherheitsventil zum Einsatz, welches einen möglichen entstehenden Überdruck im Akkumulator an die Umwelt abgeben kann.
    Der Akkumulator kann isolierende und/oder wärmeleitende Eigenschaften besitzen. Um dies zu gewährleisten können während des Prozesses der Laminierung zusätzliche funktionale Elemente wie zum Beispiel Kühlung, Dämmung in Form von Fasern, Körnern oder Platten sowie Heizungselemente integriert werden. Des Weiteren ist der Akkumulator wasserdicht versiegelt.
    Die Form der Akkumulatoren kann so gestaltet werden, dass Strukturbauteile mit integrierten Akkumulatoren entstehen, die im Fahrzeug an beliebiger Stelle eingesetzt werden können. Durch die unterschiedlichen Kombinationen aus Faser- und Harzhärtergemischen können den einlaminierten Akkumulatoren unterschiedliche technische Eigenschaften zugewiesen werden. Somit kann eine platzsparende Anordnung der Akkumulatoren in Fahrzeugen umgesetzt werden. Des Weiteren können die Akkumulatoren je nach Dicke und Festigkeit der Fasern auch in Bauteilen eingesetzt werden, welche für den Schutz der Insassen bei einem Unfall relevant sind.
    Ein weiterer Vorteil des Laminierens ist die Integration von verschiedenen Funktionen wie zum Beispiel von Befestigungsmöglichkeiten am Bauteil oder ein Öffnungsmechanismus zum Austausch von Einzelzellen möglich. Dies ermöglicht einen einfachen Austausch von defekten Einzelzellen und verhindert einen Komplettaustausch des Akkumulators.
    Das Batteriemanagementsystem kann in den Akkumulator integriert oder außerhalb des Akkumulators positioniert werden.
  • Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
    • 1 einen einlaminierten Akkumulator mit mehreren Einzelzellen,
    • 2 einen Akkumulator als Beispiel in einem Elektroroller verbaut.
  • 1 zeigt den Akkumulator mit hier zehn einzelnen Akkuzellen 1. Die Akkuzellen 1 sind parallel zueinander mittels Abstandshaltern 3 beabstandet. Eine weitere Fixierung erhalten die Akkuzellen 1 über ein Harzhärtergemisch 2, welches die Akkuzellen 1 luft- und spaltfrei umschließt. Dies wird durch Erzeugen eines Vakuums in einem Formenhohlraum vor dem Laminierungsvorgang erreicht. Vor der Vakuumisierung werden die einzelnen Akkuzellen miteinander verschaltet und die Abstandshalter 3 eingesetzt. Die Akkuzellen sind Li-Polymerzellen, welche durch das Vakuum mit einer Vorspannung beaufschlagt sind. Durch anschließendes Einspritzen des Harzhärtergemisches wird die Vorspannung erhalten und wirkt somit auf jede einzelne Zelle weiter. Das Einspritzen erfolgt über das RIM-Verfahren, wobei die Aushärtung des Harzhärtergemisches 2 beispielsweise in der Form erfolgt.
  • Das RIM Verfahren (Reaction Injection Moulding) ist ein Urformverfahren zur Herstellung von Kunststoffformteilen. Dabei werden zwei Komponenten (und eventuell weitere Zusätze) in einem Mischer intensiv gemischt und unmittelbar anschließend als Reaktionsmasse in ein formgebendes Werkzeug gespritzt. Die Aushärtung findet in der Form statt. Kennzeichnend für dieses Verfahren ist unter anderem ein geringer Zuhaltedruck der Formwerkzeuge. RIM findet bisher bevorzugt bei der Herstellung von Formteilen aus Polyurethan, wie z. B. für die Automobilindustrie, Verwendung und wird nun erstmalig zum Einlaminieren von Akkuzellen eingesetzt. Das geschlossene Injektionsverfahren ist ein weiteres Verfahren, mit dem unter Einfluss des Vakuums die Einlaminierung des Akkus erfolgen kann.
  • Das Paket aus Akkuzellen 1 und Harzhärtergemisch 2 wird umfangsseitig von einem Kunststoffgehäuse 4 umschlossen. Dieses weist eine geringe Wandstärke auf und besitzt am oberen Ende eine nicht bezeichnete Befestigungsplatte sowie außen liegende Anschlüsse 5 für die Verkabelung.
  • 2 zeigt die Integration des einlaminierten Akkumulators in eine Rahmenstruktur 6 eines Elektrorollers 7. Innerhalb des Elektrorollers 7 wurde der einlaminierte Akkumulator A zwischen der Rahmenstruktur 6 integriert. Hierbei dient der Akkumulator gleichzeitig als Trittbrett 8 und Verstärkungselement des Rollers. Zudem wird durch den Akkumulator A der Schwerpunkt des Elektrorollers 7 nach unten in Richtung Boden verlagert, was der Kurvendynamik und Agilität des Elektrorollers 7 zugute kommt und ein sichereres Fahrverhalten vermittelt. Bei den hierbei verwendeten Lithium-Polymer Akkumulatoren handelt es sich um Akkumulatoren mit Graphit als Anodenmaterial. Die Verkabelung kann entlang des Rahmens 6 oder innenverlegt im Rahmen 6 an die Hinterradnabe 9 mit integriertem Elektromotor erfolgen.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Akkuzelle
    2
    Harzhärtergemisch
    3
    Abstandshalter
    4
    Kunststoffgehäuse
    5
    Anschluss
    6
    Rahmenstruktur
    7
    Elektroroller
    8
    Trittbrett
    9
    Hinterradnabe
    A
    Akkumulator

Claims (9)

  1. Akkumulator, vorzugsweise zum Einsatz in Elektrofahrzeugen, wobei der Akkumulator mehrere Akkuzellen (1) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass jede einzelne Akkuzelle (1) unter Vorspannung in ein Harzhärtergemisch (2) eingegossen ist, dass jede Akkuzelle (1) durch Erzeugung eines Vakuums umfangsseitig unter Vorspannung steht und die Vorspannung durch eine spaltfreie Anordnung zwischen dem Harzhärtergemisch (2) und der Akkuzelle (1) aufrechterhalten wird und dass defekte einzelne Akkuzellen (1) austauschbar sind.
  2. Akkumulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Akkumulator einen Öffnungsmechanismus zum Austausch von einzelnen Akkuzellen aufweist.
  3. Akkumulator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Akkuzellen (1) mittels Abstandshaltern (3) voneinander beabstandet sind.
  4. Akkumulator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mittels Einlaminieren die Volumenarbeit der Deckschichten der einzelnen Akkuzellen (1) vermieden oder reduziert wird.
  5. Akkumulator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die vom Harzhärtergemisch (2) umschlossenen Akkuzellen (1) von einem Kunststoffgehäuse (4) umschlossen sind.
  6. Akkumulator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Akkuzellen (1) miteinander verschaltet sind und außenliegende Anschlüsse (5) besitzen.
  7. Akkumulator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Akkuzellen (1) vorzugsweise als Li-Polymerzellen ausgeführt sind.
  8. Akkumulator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Harzhärtergemisch (2) isolierende und/oder wärmeleitende Eigenschaften aufweist, welche durch Füllstoffe erzielbar sind.
  9. Akkumulator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass beim Umschließen des Akkumulators mindestens ein Sicherheitsventil integriert ist.
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